JP2007157718A - Operation method of fuel cell, and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and system capable of preventing great excess of water and inert gas. <P>SOLUTION: A technique includes an operation of a fuel cell, which produces an effluent flow. The technique includes a passage of the effluent flow through an electrochemical pump to extract fuel from the effluent flow to produce a first feedback flow. The technique includes usage of the effluent flow to produce a second feedback flow separate from the first feedback flow and a passage of the second feedback flow through a venturi tube to the fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の操作方法及び燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a method for operating a fuel cell and a fuel cell system.

燃料電池は、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学的デバイスである。例えば、一つの型の燃料電池は、プロトンだけが燃料電池のアノードとカソードとの間を通るのを許可するプロトン交換膜（ＰＥＭ）を含む。典型的なＰＥＭ燃料電池は、ナフィオン（登録商標）のようなスルホン酸をベースにしたアイオノマーを用いており、６０℃から７０℃の温度領域で作動する。もう一方のタイプでは、リン酸をベースにしたポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜を用いており、１５０℃から２００度の温度領域で作動する。前記アノードにおいて、二原子水素（燃料）は、水素イオンを生成する反応を起こし、水素イオンはＰＥＭを通過する。この反応で生じた電子は、燃料電池の外部回路を移動し、電流を形成する。カソードにおいて、酸素は、水素イオンと反応して水を形成し、減少する。アノードとカソードとの反応は、以下の式で表わされる。   A fuel cell is an electrochemical device that converts chemical energy directly into electrical energy. For example, one type of fuel cell includes a proton exchange membrane (PEM) that allows only protons to pass between the anode and cathode of the fuel cell. A typical PEM fuel cell uses a sulfonic acid-based ionomer such as Nafion® and operates in the temperature range of 60 ° C to 70 ° C. The other type uses a polybenzimidazole (PBI) membrane based on phosphoric acid and operates in a temperature range of 150 ° C. to 200 degrees. In the anode, diatomic hydrogen (fuel) undergoes a reaction that generates hydrogen ions, which pass through the PEM. Electrons generated by this reaction move through the external circuit of the fuel cell and form an electric current. At the cathode, oxygen reacts with hydrogen ions to form water and decreases. The reaction between the anode and the cathode is expressed by the following equation.

式１Formula 1

Figure 2007157718
Figure 2007157718

典型的な燃料電池は、約１ＤＣボルトの末端電圧を有する。より大きな電圧を作り出すために、いくつかの燃料電池は、一緒に組み立てられて燃料電池スタックと呼ばれる燃料電池の配列を形成してもよい。前記配列において、燃料電池は、一列の電気的結合であり、より大きなＤＣ電圧（例えば、約１００ボルトの電圧）を形成し、より大きな出力を提供する。   A typical fuel cell has a terminal voltage of about 1 DC volts. In order to create a larger voltage, several fuel cells may be assembled together to form an array of fuel cells called a fuel cell stack. In the arrangement, the fuel cells are a single row of electrical coupling, forming a larger DC voltage (eg, a voltage of about 100 volts) and providing a greater output.

前記燃料電池スタックは、他の流路板の上に積み重ねられた流路板（例えば、黒鉛複合材または、金属板）を含んでもよい。そして、それぞれの板は、スタックの燃料電池の一つ以上と関係していてもよい。その流路板は、前記燃料電池スタックを介する反応物及び生成物を流すために、例として、各種の表面流路及び口部を含んでもよい。いくつかのＰＥＭ（それぞれは特定の燃料電池と結合して存在する）は、異なる燃料電池のアノードとカソードの間のいたるところに分散されていてもよい。導電性ガス拡散層（ＧＤＬ）は、各燃料電池のアノードとカソードとを形成する各ＰＥＭの各側面に設置されていてもよい。このように、前記ＰＥＭの各側面からの反応ガスは、前記流路から離れ、そして前記ＧＤＬを通過して前記ＰＥＭに届くように拡散してもよい。   The fuel cell stack may include a channel plate (for example, a graphite composite material or a metal plate) stacked on another channel plate. Each plate may then be associated with one or more of the fuel cells in the stack. The flow path plate may include, for example, various surface flow paths and mouths for flowing reactants and products through the fuel cell stack. Several PEMs, each present in combination with a particular fuel cell, may be distributed throughout the anode and cathode of different fuel cells. The conductive gas diffusion layer (GDL) may be installed on each side surface of each PEM that forms the anode and the cathode of each fuel cell. Thus, the reaction gas from each side of the PEM may diffuse away from the flow path and through the GDL to reach the PEM.

前記燃料電池スタックは、様々な他の構成要素及びサブシステム（例えば冷却サブシステム、セル電圧監視サブシステム、制御サブシステム、出力調整サブシステムなどのような）を含む前記燃料電池システムとして、典型的な燃料電池システムの多くの構成要素の一つである。これらのサブシステムのそれぞれの特定設計は、燃料電池が提供する用途の機能である。   The fuel cell stack is typical as the fuel cell system including various other components and subsystems (such as a cooling subsystem, a cell voltage monitoring subsystem, a control subsystem, a power regulation subsystem, etc.) This is one of many components of a fuel cell system. The specific design of each of these subsystems is a function of the application that the fuel cell provides.

典型的に、燃料電池スタックに供給される燃料と空気との流路は、加湿されている。この加湿は、典型的に、燃料電池スタックの内部のガスの前記流路に関連して、２つの課題が提起されている。１）不活性ガスの増加と、２）水の増加とである。純粋な水を燃料とするスタックの場合、時間と共に、窒素と他の不活性ガスとは、前記膜のカソード（空気極）側から前記燃料電池膜のアノード（燃料極）側へと拡散する。もし前記不活性ガスが前記アノードから取り除かれなかったら、その後一つ若しくはより多くの電池又はスタック全体の操作は、次第に遮断されていくであろう。全てのＰＥＭスタックの場合において、水がスタックのアノード若しくはカソード又はその両方の流路で過多となり、時間の経過と共に、そのことにより前記電池又は前記電池のスタックの不安定化を引き起こすかもしれない。この状況は、フラッディングと呼ばれる。前記フラッディング状態を防止するために、十分なアノードガス速度及びカソードガス速度は、前記流路から水を除去することにより、提供されなければならない。   Typically, the flow path between the fuel and air supplied to the fuel cell stack is humidified. This humidification typically presents two challenges related to the flow path of gas inside the fuel cell stack. 1) increase in inert gas and 2) increase in water. In the case of a stack using pure water as fuel, with time, nitrogen and other inert gases diffuse from the cathode (air electrode) side of the membrane to the anode (fuel electrode) side of the fuel cell membrane. If the inert gas is not removed from the anode, then operation of one or more cells or the entire stack will gradually be shut off. In all PEM stacks, water may become overloaded in the anode and / or cathode of the stack and over time may thereby cause destabilization of the cell or the cell stack. This situation is called flooding. Sufficient anode and cathode gas velocities must be provided by removing water from the flow path to prevent the flooding condition.

本発明は、前記システムの燃料電池スタック内における水及び不活性ガスの著しい過多を防ぐという、燃料電池システムのために継続的な必要性の存在に鑑み、前記水及び不活性ガスの著しい過多を防ぐことができる方法及びシステムを提供することを目的とする。   In view of the continuing need for a fuel cell system to prevent a significant excess of water and inert gas in the fuel cell stack of the system, the present invention reduces the significant excess of water and inert gas. It is an object to provide a method and system that can be prevented.

本発明の一形態における技術は、燃料電池の操作を含み、排出流を生成する。前記技術は、前記排出流から燃料を抽出するために、前記排出流を電気化学的ポンプに流して、第１のフィードバック流を生成することを含む。前記技術は、前記排出流を用いて、前記第１のフィードバック流とは別の第２のフィードバック流を生成し、前記第２のフィードバック流をベンチュリ管に通して前記燃料電池に流すことを含む。   The technology in one form of the invention involves the operation of a fuel cell and produces an exhaust stream. The technique includes flowing the exhaust stream through an electrochemical pump to produce a first feedback stream to extract fuel from the exhaust stream. The technique includes using the exhaust flow to generate a second feedback flow that is different from the first feedback flow and passing the second feedback flow through a venturi tube to the fuel cell. .

本発明の利点と他の特徴とは、以下の図及び記述と、特許請求の範囲とにより明らかになるだろう。   Advantages and other features of the invention will become apparent from the following drawings and description, and from the claims.

図１を参照して、本発明の実施形態による燃料電池システム１０は、それぞれ、アノード取入口２２及び酸化剤取入口２４で、燃料電池スタック（ここでは「パワースタック」という）２０により受け入れられる燃料流と酸素流とに応じて、負荷（図示せず）のための電気出力を生成するパワースタック２０を含む。前記燃料電池システム１０は、本発明の特定の実施形態において、前記パワースタック２０の前記直流電圧を、規制されたより低い直流電圧又は規制された交流電圧に変換する、スタック端末５１に接続された出力調整回路５０を含むんでもよい。それ故、前記出力調整回路５０は、前記負荷のために調整された直流電圧又は交流電圧を供給する出力端末５６を有する。   Referring to FIG. 1, a fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention includes a fuel received by a fuel cell stack (referred to herein as a “power stack”) 20 at an anode inlet 22 and an oxidant inlet 24, respectively. A power stack 20 is included that generates electrical output for a load (not shown) in response to the flow and the oxygen flow. The fuel cell system 10 is an output connected to a stack terminal 51 that converts the DC voltage of the power stack 20 to a regulated lower DC voltage or regulated AC voltage in a specific embodiment of the invention. The adjustment circuit 50 may be included. Therefore, the output adjustment circuit 50 has an output terminal 56 that supplies a DC voltage or an AC voltage adjusted for the load.

前記パワースタック２０の電池が、燃料の「枯渇」状態でないことを確認することを目的として、前記スタックへ入ってくる燃料の流れは、上述の式１及び式２で説明された化学量論的比率を超える。そのため、前記パワースタック２０のアノード排ガス流（アノード排ガス排出口２８で前記パワースタック２０を出る）は、余剰燃料を含む。前記燃料電池システム１０の前記総体的な効率をよくするこの余剰燃料を回収するために、前記システム１０は、電気化学的水素ポンプ３０を含む。前記水素ポンプ３０は、１）前記スタック２０の前記アノード取入口２２に戻す燃料フィードバック流を作り出すために、前記パワースタック２０のアノード排ガスを取り除き、そして、２）前記スタック２０を介する前記アノード流領域経路を、水による閉塞を取り除いた状態に保つのに十分な燃料の流れの比率を確立する。   In order to confirm that the cells of the power stack 20 are not in a fuel “depleted” state, the flow of fuel entering the stack is stoichiometric as described in equations 1 and 2 above. The ratio is exceeded. Therefore, the anode exhaust gas flow of the power stack 20 (exiting the power stack 20 at the anode exhaust gas outlet 28) includes surplus fuel. In order to recover this surplus fuel that improves the overall efficiency of the fuel cell system 10, the system 10 includes an electrochemical hydrogen pump 30. The hydrogen pump 30 1) removes the anode exhaust gas of the power stack 20 to create a fuel feedback flow back to the anode inlet 22 of the stack 20, and 2) the anode flow region through the stack 20 Establish a fuel flow ratio sufficient to keep the path clear of water blockages.

ここで、記述を単純化することを目的として、前記パワースタック２０及び水素ポンプ３０は、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）を用いると仮定する。しかしながら、本発明の他の実施形態は、特許請求の範囲に記載された範囲内である。例えば、ＰＥＭ燃料電池以外の燃料電池技術の他の様式は、本発明の他の実施形態として想像される。加えて、電気化学的水素ポンプは、ここで記載されているが、本発明の他の実施形態で、電気化学的ポンプの他の様式が用いられてもよいと解される。   Here, for the purpose of simplifying the description, it is assumed that the power stack 20 and the hydrogen pump 30 use a polymer electrolyte membrane (PEM). However, other embodiments of the invention are within the scope of the claims. For example, other forms of fuel cell technology other than PEM fuel cells are envisioned as other embodiments of the invention. In addition, although an electrochemical hydrogen pump is described herein, it is understood that other embodiments of the electrochemical pump may be used in other embodiments of the invention.

本発明のいくつかの形態において、水素ポンプ３０は、パワースタック２０からのアノード排ガス流（水素ポンプ３０のアノード取入口部３２で受け入れられる）に応じて、カソード排ガス口部３６（ポンプ３０の）で比較的純粋な水素流を生成する燃料電池スタックにより形成され、電気出力を受け入れる。一般に、水素ポンプ３０は、パワースタック２０と全体的に同一のトポロジーを備えていてよく、その中で、水素ポンプ３０は、ＰＥＭ、ガス拡散層及び、プレナム及び水素ポンプ３０の燃料電池に反応剤を伝達するための流れの場を確立する流路板を含む。さらに、水素ポンプ３０は、ポンプ３０を介して冷却剤を流す流路板を含んでもよい。しかしながら、パワースタック２０とは違い、水素ポンプ３０の各燃料電池は、電流を受け入れており（且つ、負荷として作用しており）、受け入れる電流に応じて、水素が燃料電池のアノード室から燃料電池の前記カソード室に移動し、該カソード室で水素ガスを生成する。   In some forms of the invention, the hydrogen pump 30 is responsive to the anode exhaust stream from the power stack 20 (accepted at the anode inlet 32 of the hydrogen pump 30), and the cathode exhaust port 36 (of the pump 30). Formed by a fuel cell stack that produces a relatively pure hydrogen stream and accepts electrical output. In general, the hydrogen pump 30 may have an overall topology that is the same as the power stack 20, in which the hydrogen pump 30 is a reactant to the PEM, gas diffusion layer, and fuel cell of the plenum and hydrogen pump 30. A flow path plate that establishes a flow field for transmitting the fluid. Further, the hydrogen pump 30 may include a flow path plate that allows the coolant to flow through the pump 30. However, unlike the power stack 20, each fuel cell of the hydrogen pump 30 receives current (and acts as a load), and hydrogen is supplied from the anode chamber of the fuel cell to the fuel cell according to the received current. To the cathode chamber, and hydrogen gas is generated in the cathode chamber.

以下に詳述するように、本発明の特定の形態に従って、水素ポンプ３０を形成する燃料電池スタックは、パワースタック２０と一体でもよく、別体でもよい。さらに、以下に詳述するように、本発明の特定の形態に従って、水素ポンプ３０を形成する燃料電池スタックは、パワースタック２０と電気的に接続されていてもよく、分離されていてもよい。水素ポンプ３０は、送電線５４からその電力を受け取ることが、図１に図示されている。水素ポンプ３０の燃料電池を運転する電力は、パワースタック２０（スタック２０の燃料電池と水素ポンプ３０の燃料電池とが同一のスタックの一部である場合）、出力調整回路５０などのような幅広い異なる種類の電源により、直接提供されてもよいと理解される。   As will be described in detail below, the fuel cell stack forming the hydrogen pump 30 may be integral with or separate from the power stack 20 in accordance with certain aspects of the present invention. Further, as described in detail below, the fuel cell stack forming the hydrogen pump 30 may be electrically connected to or separated from the power stack 20 in accordance with certain aspects of the present invention. It is illustrated in FIG. 1 that the hydrogen pump 30 receives its power from the transmission line 54. The power for operating the fuel cell of the hydrogen pump 30 is wide, such as the power stack 20 (when the fuel cell of the stack 20 and the fuel cell of the hydrogen pump 30 are part of the same stack), the output adjustment circuit 50, and the like. It is understood that different types of power supplies may be provided directly.

燃料電池システム１０の他の構成要素について、燃料電池システム１０は、圧力調整器１４に接続された放水管（outlet conduit）１２を有する水素供給源１１（例えば、水素貯蔵タンク）を含んでもよい。圧力調整器１４の排出口及び水素ポンプ３０の排出口は、複数の流れを一つに結合するために接続され、入来燃料流を生成する。入来燃料流は、パワースタック２０のアノード取入口部２２によって受け入れられる。本発明のいくつかの形態において、パワースタック２０は、また、酸化剤又はフレア（flare）と接続されてもよいカソード排ガス排出口２６を含む。以下にさらに詳述するように、燃料電池システム１０の制御装置４４は、例えば、排出流が水素ポンプ３０から除去されるときに調整する流れ制御弁４０の制御操作と同様に、出力調整回路５０の操作を調整してもよい。   Regarding other components of the fuel cell system 10, the fuel cell system 10 may include a hydrogen supply source 11 (eg, a hydrogen storage tank) having an outlet conduit 12 connected to a pressure regulator 14. The outlet of the pressure regulator 14 and the outlet of the hydrogen pump 30 are connected to combine a plurality of streams into one to produce an incoming fuel stream. An incoming fuel stream is received by the anode intake 22 of the power stack 20. In some forms of the invention, the power stack 20 also includes a cathode exhaust outlet 26 that may be connected with an oxidant or flare. As will be described in further detail below, the control device 44 of the fuel cell system 10 may, for example, output control circuit 50, similar to the control operation of the flow control valve 40 that adjusts when the exhaust flow is removed from the hydrogen pump 30. You may adjust the operation.

本発明の特定の実施形態に従って、水素ポンプ３０は、水素がシステム１０に導入される方向に対して、前記パワースタック２０の前又は後に配置されてもよい。起動の問題を軽減するかもしれないので、ポンプ３０が入ってくる水素を初めに受け取るように、水素ポンプ３０を配置することは好都合かもしれない。本発明のいくつかの形態において、水素ポンプ３０は、燃料電池システム１０の起動時に直ちに水素で満たされる。そうすることによって、ポンプ３０は起動することができる。前記起動問題を回避する他の方法は、燃料電池が恒常的に高電圧を保持している間、流れ制御弁又は補助の除去電磁弁を十分に開放するよう制御し、単一セルのカスケードステージ７６（図２と共に以下に詳述される）から水素を放出する。そして、単一のカスケードステージ７６のセルが水素を認識するとき、そのポンプ電圧は減少し、同時にポンプ電流が増加する。この時点で、前記電磁弁又は流れ制御弁は閉じるよう制御される。再構成された流れから汚染物質を洗浄することを目的としてパワースタック２０の前方に水素ポンプ３０を配置することもまた好都合かもしれない。このような配置で、新しく再構成された流れと同様に、パワースタック２０からの廃水素が水素ポンプ３０に入り、純粋な水素のみがパワースタック２０に戻る。このように、水素ポンプ３０は、精製装置と再循環装置との両方として作用する。   In accordance with certain embodiments of the present invention, the hydrogen pump 30 may be positioned before or after the power stack 20 with respect to the direction in which hydrogen is introduced into the system 10. It may be advantageous to arrange the hydrogen pump 30 so that the pump 30 initially receives incoming hydrogen, as it may alleviate startup problems. In some forms of the invention, the hydrogen pump 30 is filled with hydrogen immediately upon startup of the fuel cell system 10. By doing so, the pump 30 can be activated. Another way to avoid the start-up problem is to control the flow control valve or auxiliary removal solenoid valve to fully open while the fuel cell is constantly holding a high voltage, and a single cell cascade stage. Hydrogen is released from 76 (detailed below in conjunction with FIG. 2). And when a cell of a single cascade stage 76 recognizes hydrogen, its pump voltage decreases and at the same time the pump current increases. At this point, the solenoid valve or flow control valve is controlled to close. It may also be advantageous to place a hydrogen pump 30 in front of the power stack 20 for the purpose of cleaning contaminants from the reconstituted stream. With such an arrangement, the waste hydrogen from the power stack 20 enters the hydrogen pump 30 and only pure hydrogen returns to the power stack 20 as with the newly reconstructed flow. Thus, the hydrogen pump 30 acts as both a purification device and a recirculation device.

燃料電池スタックのアノード排ガスのフィードバックループにおける電気化学的水素ポンプの使用は、以下の利点の一つ又はそれ以上を含んでもよい。水管理のための排ガス再循環は、窒素の積み重ねという不利益なしで達成されてもよい。水素ポンプ３０は、本来、アノードループにおいて循環するガスの濾過作用を提供する。排出ガスの機械的再循環により、もし供給ガス（水素）が希釈剤又は汚染種により汚染されているならば、前記混入物は直接除去されないので、電力生成スタックの性能を損なう結果となる。しかしながら、水素ポンプ３０により、前記希釈剤は、恒常的に除去され、結果として精製されたアノード水素のループをもたらす。さらに、水素ポンプ３０は、固体状態の装置である。これは、ブロワー及びコンプレッサーのような装置を含む従来の排ガス再循環方法を超えるいくつかの重要な利点を有する。可動部が無いので、信頼性はより高い（例えば、ブロワー及びコンプレッサーを超える利点）。水素のポンピングは、機械的圧縮に比べて、より等温過程であるので、高性能を達成することができ、これはシステム補助のためのより低い出力消費を意味する。これは、特に低い負荷で真実であり得て、そこでは、水素ポンプ３０は、ポンピング電圧においてほぼ線形の応答により、効率的に少ない流量に低下してもよい（一方で、ブロワー又はコンプレッサーは、かなりの出力を出し続ける）。水素ポンプ３０は、可動部を有さないので、ブロワー又はコンプレッサーの密封におけるガス漏れに関連する問題は、解消する。水素ポンプ３０は、窒素を超えて水素を優先的に選択し、再循環させる。これは、機械的システムではできない。パワースタック２０（以下で更に詳述する）と統合された装置として構築される時、この配置は、配管又はホース接続部を除外することにより、コストをより低くすることができる。   The use of an electrochemical hydrogen pump in the anode exhaust gas feedback loop of the fuel cell stack may include one or more of the following advantages. Exhaust gas recirculation for water management may be achieved without the disadvantages of nitrogen accumulation. The hydrogen pump 30 inherently provides a filtering action for the gas circulating in the anode loop. Mechanical recirculation of the exhaust gas results in a loss of power generation stack performance because the contaminants are not removed directly if the feed gas (hydrogen) is contaminated by diluent or contaminating species. However, with the hydrogen pump 30, the diluent is constantly removed, resulting in a purified anode hydrogen loop. Furthermore, the hydrogen pump 30 is a solid state device. This has several significant advantages over conventional exhaust gas recirculation methods including devices such as blowers and compressors. Since there are no moving parts, the reliability is higher (for example, advantages over blowers and compressors). Since hydrogen pumping is a more isothermal process compared to mechanical compression, high performance can be achieved, which means lower power consumption for system assistance. This can be especially true at low loads, where the hydrogen pump 30 may be efficiently reduced to a low flow rate with a nearly linear response at the pumping voltage (while the blower or compressor is Continue to produce significant output). Since the hydrogen pump 30 has no moving parts, problems associated with gas leaks in the blower or compressor seal are eliminated. The hydrogen pump 30 preferentially selects and recycles hydrogen over nitrogen. This is not possible with mechanical systems. When constructed as a device that is integrated with the power stack 20 (described in further detail below), this arrangement can result in lower costs by eliminating piping or hose connections.

他の利点及び異なる利点は、本発明の様々な形態で可能である。   Other advantages and different advantages are possible in various forms of the invention.

本発明のいくつかの実施形態によると、１．２の化学量論的量の水素流が、パワースタック２０に供給され、スタック２０の燃料電池が水素を「渇望」ではないということを確保する。これは、前記水素ポンプ３０は、約０．２の化学量論的量の水素流を、パワースタック２０のアノード取入口２２に戻すように循環することを意味する。   According to some embodiments of the present invention, a stoichiometric amount of 1.2 hydrogen flow is provided to the power stack 20 to ensure that the fuel cell of the stack 20 is not “craving” for hydrogen. . This means that the hydrogen pump 30 circulates a stoichiometric amount of hydrogen flow of about 0.2 back to the anode intake 22 of the power stack 20.

より特定の実施例として、本発明のいくつかの実施形態に従って、パワースタック２０及び水素ポンプ３０は、双極流路板の同一スタックの一部である。従って、同一の電流が、パワースタック２０の電池及び前記水素ポンプ３０の電池を通って流れる。この実施例のために、パワースタック２０は、７０のセルを有し、前記水素ポンプ３０は、１４のセルを有すると仮定する。０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で水素ポンプ３０を通る０．２の化学量論的量の水素流に対して、水素ポンプ３０の個々のセル電圧は、約０．０６ボルトである。従って、水素ポンプ３０に要求される出力は、約１３２ワットである（活性領域２６２ｃｍ２に対して）となる。もし、個々のセルが、水素ポンプ以外のアノード排ガス流を制限することにより、０．６Ａ／ｃｍ２、０．０９ボルトで作動するよう制御されているならば、水素ポンプ３０に要求される出力は、約１９８ワットに増加する。 As a more specific example, according to some embodiments of the present invention, power stack 20 and hydrogen pump 30 are part of the same stack of bipolar channel plates. Accordingly, the same current flows through the battery of the power stack 20 and the battery of the hydrogen pump 30. For this example, assume that the power stack 20 has 70 cells and the hydrogen pump 30 has 14 cells. For a 0.2 stoichiometric amount of hydrogen flow through the hydrogen pump 30 at a current density of 0.6 A / cm 2 , the individual cell voltage of the hydrogen pump 30 is about 0.06 volts. Therefore, the required power for the hydrogen pump 30 is about 132 watts (for an active area of 262 cm 2 ). If the individual cells are controlled to operate at 0.6 A / cm 2 , 0.09 volts by limiting the anode exhaust flow other than the hydrogen pump, the output required for the hydrogen pump 30 Increases to about 198 watts.

図２を参照して、水素ポンプに提供するために直列に接続されたセルが用いられる上述の方法に代えて、本発明のいくつかの形態に従って、以下に詳述するように、水素ポンプ３０は、電気的に直列に連結され、反応物もまた直列に受け入れるカスケードステージ６０、６８、７６の相互接続から形成されている。各カスケードステージ６０、６８、７６は、電気化学的水素ポンプとして機能している。従って、カスケードステージ６０は、パワースタック２０からのアノード排ガス流から水素流を生成し、第２のアノード排ガス流を残す。カスケードステージ６８は、第２のアノード排ガス流から水素流を生成し、第３のアノード排ガス流を残す。カスケードステージ７６は、第３のアノード排ガス流から水素流を生成する。前記カスケードステージ６０、６８及び７６からの前記水素の流れは結合され、水素ポンプ３０のカソード排ガス排出口３６に現れる。   Referring to FIG. 2, instead of the above-described method in which cells connected in series to provide a hydrogen pump are used, in accordance with some aspects of the present invention, a hydrogen pump 30 as described in detail below. Are formed from interconnections of cascade stages 60, 68, 76 that are electrically connected in series and also receive reactants in series. Each cascade stage 60, 68, 76 functions as an electrochemical hydrogen pump. Accordingly, the cascade stage 60 generates a hydrogen stream from the anode exhaust gas stream from the power stack 20, leaving a second anode exhaust gas stream. Cascade stage 68 generates a hydrogen stream from the second anode exhaust gas stream, leaving a third anode exhaust gas stream. Cascade stage 76 generates a hydrogen stream from the third anode exhaust gas stream. The hydrogen flows from the cascade stages 60, 68 and 76 are combined and appear at the cathode exhaust outlet 36 of the hydrogen pump 30.

前記カスケード配列は、平行なガスの流れと、直列電流との構造により生じるセルとセルとの間のアノード流の流通問題を克服する。今、接続のより詳細な細部に言及すると、前記カスケード配列では、アノード取入口３２は、アノード排ガスを、パワースタック２０からカスケードステージ６０のアノードプレナムに運ぶ。パワースタック２０からのアノード排ガス流に対応して、カスケードステージ６０は、カスケードステージ６０のカソードプレナムで水素ガス流を創成し、この流れはカスケード６０のカソード排ガス排出口６４を通って、水素ポンプ３０のカソード排ガス排出口３６へ流される。カスケードステージ６０からのアノード排ガスは、アノード排ガス排出口６２を通過して、次のカスケードステージ６８の前記アノードプレナムに送られる。   The cascade arrangement overcomes the problem of anode flow flow between cells caused by the parallel gas flow and series current structure. Referring now to more detailed details of connections, in the cascade arrangement, the anode intake 32 carries anode exhaust gas from the power stack 20 to the anode plenum of the cascade stage 60. In response to the anode exhaust gas stream from the power stack 20, the cascade stage 60 creates a hydrogen gas stream at the cathode plenum of the cascade stage 60, this stream passing through the cathode exhaust gas outlet 64 of the cascade 60 and the hydrogen pump 30. To the cathode exhaust gas outlet 36. The anode exhaust gas from the cascade stage 60 passes through the anode exhaust gas outlet 62 and is sent to the anode plenum of the next cascade stage 68.

カスケードステージ６８は、入来アノード排ガス流から水素を回収し、カスケードステージ６８のカソードプレナムで水素ガス流を形成する。前記水素ガス流は、カスケードステージ６８のカソード排ガス排出口７２を通って、水素ポンプ３０のカソード排ガス排出口３６に流される。カスケードステージ６８からのアノード排ガスは、カスケードステージ６８のアノード排ガス排出口７０を通過して、最後のカスケードステージ７６のアノードプレナムに送られる。   Cascade stage 68 recovers hydrogen from the incoming anode exhaust gas stream and forms a hydrogen gas stream at the cathode plenum of cascade stage 68. The hydrogen gas flow passes through the cathode exhaust gas outlet 72 of the cascade stage 68 and flows to the cathode exhaust gas outlet 36 of the hydrogen pump 30. The anode exhaust gas from the cascade stage 68 passes through the anode exhaust gas outlet 70 of the cascade stage 68 and is sent to the anode plenum of the last cascade stage 76.

カスケードステージ７６は、入来アノード排ガス流から水素を回収し、カスケードステージ７６のカソードプレナムで水素ガス流を形成する。カスケードステージ７６は、前記水素ガス流を、カスケードステージ７６のカソード排ガス排出口７８を通って、水素ポンプ３０のカソード排ガス排出口３６に流す。カスケードステージ７６からのアノード排ガスは、水素ポンプ３０のアノード排ガス排出口３４に流される。   Cascade stage 76 recovers hydrogen from the incoming anode exhaust gas stream and forms a hydrogen gas stream at the cathode plenum of cascade stage 76. The cascade stage 76 causes the hydrogen gas flow to flow through the cathode exhaust gas outlet 78 of the cascade stage 76 to the cathode exhaust gas outlet 36 of the hydrogen pump 30. The anode exhaust gas from the cascade stage 76 flows to the anode exhaust gas outlet 34 of the hydrogen pump 30.

図２は、３つのカスケードステージを表わしているが、本発明の特定の形態によれば、水素ポンプ３０は、より少ない又はより多いカスケードステージを有してもよい。さらに、本発明のいくつかの形態に従って、各カスケードステージは、異なる数のセルを有していてもよい。前記電流密度または活性領域も、カスケードステージ間で等しくなる必要はない。流路板の集積スタックとして前記カスケードステージを構築するのに便利であるが、本発明のいくつかの形態において、前記アノード排ガス流からくる水素の付加的な浄化は、おそらく５０ｃｍ２の活性領域の小さな単一セルを通して前記流れをポンピングすることにより達成されてもよい。 Although FIG. 2 represents three cascade stages, according to certain aspects of the invention, the hydrogen pump 30 may have fewer or more cascade stages. Further, according to some aspects of the invention, each cascade stage may have a different number of cells. The current density or active region need not be equal between cascade stages. Although convenient for constructing the cascade stage as an integrated stack of flow path plates, in some forms of the invention, additional purification of hydrogen coming from the anode exhaust gas stream is likely in an active area of 50 cm 2 . It may be achieved by pumping the flow through a small single cell.

より詳細な実施例として、本発明のいくつかの形態に従って、カスケードステージ６０は１０の燃料電池を含み、カスケードステージ６８は３つの燃料電池を含み、カスケードステージ７６は１つの燃料電池を含む。最初の二つのカスケードステージ６０及びカスケードステージ６８は、例えば、１．２を超える化学量論的量の水素流を有していてもよく、単一セルのカスケードステージ７６の流れは、流れ制御弁４０（図１参照）により制御されている。この配列において、毎分約１５．３リットルの全循環流が、カスケードステージ６０のアノード室を通過する。０．６Ａ／ｃｍ２（本実施例では約１５７アンペア）で、カスケードステージ６０は、毎分約１０．９リットルの水素を、パワースタック２０のアノード取入口２２（図１参照）に還流する。カスケードステージ６８の個々のセルは、カスケードステージ６０への約９４ワットの総入力のため、それぞれ約０．０６ボルトのセル電圧を有する。 As a more detailed example, cascade stage 60 includes 10 fuel cells, cascade stage 68 includes three fuel cells, and cascade stage 76 includes one fuel cell, according to some aspects of the present invention. The first two cascade stages 60 and 68 may have, for example, a stoichiometric amount of hydrogen flow greater than 1.2, and the flow of the single cell cascade stage 76 may be controlled by a flow control valve. 40 (see FIG. 1). In this arrangement, a total circulation of about 15.3 liters per minute passes through the anode chamber of the cascade stage 60. At 0.6 A / cm 2 (about 157 amps in this example), the cascade stage 60 recirculates about 10.9 liters of hydrogen per minute to the anode intake 22 (see FIG. 1) of the power stack 20. The individual cells of cascade stage 68 each have a cell voltage of about 0.06 volts due to a total input of about 94 watts to cascade stage 60.

カスケードステージ６８のため、毎分約４．５リットルのアノード排ガスが、カスケードステージ６８のアノード室に導かれる。０．６Ａ／ｃｍ２（本実施例では約１５７アンペア）で、カスケードステージ６８は、毎分約３．３リットル水素を、パワースタック２０のアノード取入口２２に還流する。カスケードステージ６８の個々のセルは、約２８ワットの入力のため、それぞれ約０．０６ボルトのセル電圧を有する。 Due to the cascade stage 68, approximately 4.5 liters of anode exhaust gas per minute is directed into the anode chamber of the cascade stage 68. At 0.6 A / cm 2 (about 157 amps in this example), the cascade stage 68 recirculates about 3.3 liters of hydrogen per minute to the anode inlet 22 of the power stack 20. Each individual cell of cascade stage 68 has a cell voltage of about 0.06 volts for an input of about 28 watts.

単一セルのカスケードステージ７６のため、カスケードステージ６８からのアノード排ガス（毎分約１．２リットル）は、カスケードステージ７６のアノード取入口に導かれる。０．６Ａ／ｃｍ２（本実施例では約１５７アンペア）の電流密度で、カスケードステージ７６は、毎分約１．１リットルの水素を、前記燃料電池のアノード取入口２２に還流する。へ再度、水素を送り出す。カスケードステージ７６のセルは、約１７ワットの入力のため、約０．１１ボルトのセル電圧を有する。このセルの電圧は、流れ制御弁４０を経由して約０．１１ボルトになるように、制御装置４４（図１参照）によって調整されている。従って、セル電圧が０．１１ボルト近傍のある限界電圧以下に減少することに対応して、制御装置４４は、流れ制御弁４０を開放し、セルからガスを除去して、前記電圧が０．１１ボルトに上昇するようにする。本発明の他の形態において、この配列は、適当な大きさの流出口（bleed olifice）によって置換されてもよい。この場合、流出は、毎分約１％又は毎分１ｃｍ３の水素含量で、毎分約０．１リットルの水準である。本発明のいくつかの形態において、この流出流は、パワースタック２０のカソード取入口２４に還流される。 Due to the single cell cascade stage 76, the anode exhaust gas (approximately 1.2 liters per minute) from the cascade stage 68 is directed to the anode inlet of the cascade stage 76. At a current density of 0.6 A / cm 2 (about 157 amps in this example), the cascade stage 76 circulates about 1.1 liters of hydrogen per minute to the anode inlet 22 of the fuel cell. Send out hydrogen again. The cell of cascade stage 76 has a cell voltage of about 0.11 volts for an input of about 17 watts. The voltage of this cell is adjusted by the controller 44 (see FIG. 1) to be about 0.11 volts via the flow control valve 40. Accordingly, in response to the cell voltage decreasing below a certain threshold voltage near 0.11 volts, the controller 44 opens the flow control valve 40 and removes gas from the cell so that the voltage is less than 0. 0. Raise to 11 volts. In other forms of the invention, this arrangement may be replaced by an appropriately sized bleed olifice. In this case, the effluent is at a level of about 0.1 liters per minute with a hydrogen content of about 1% per minute or 1 cm 3 per minute. In some forms of the invention, this effluent is returned to the cathode intake 24 of the power stack 20.

上述のカスケード配列を用いることにより、非カスケード式セルスタック水素ポンプで生じる前記アノード流の流通問題は回避され、そして前記水素ポンプ３０を作動するために必要とされる出力は、約１９８ワットから約１３９ワット（上述の実施例において）に低減される。   By using the cascade arrangement described above, the anode flow distribution problem that occurs with non-cascaded cell stack hydrogen pumps is avoided, and the power required to operate the hydrogen pump 30 is from about 198 Watts to about 198 Watts. Reduced to 139 watts (in the example above).

図３を参照して、本発明のいくつかの形態に従って、サブシステム８０が、カスケードステージ７６から排ガスを放出するために、もう一つの方法として用いられてもよい。従って、前記サブシステムは、流れ制御弁４０（図１参照）の代わりに水素ポンプ３０の排ガス排出口３４に接続されてもよい。サブシステム８０は、排ガスから水を取り除くため、排ガス排出口３４に接続される水トラップ８２を含む。水トラップ８２の排水口８４は、流れ制限口８６に接続され、流れ制限口８６の排出口８８は浄化電磁弁９０に接続されている。浄化電磁弁９０は、制御装置４４（図１参照）によって制御されていてもよい。本発明のいくつかの形態において、電磁弁９０の排水口９４は、周囲の環境と通じている。   With reference to FIG. 3, in accordance with some aspects of the present invention, subsystem 80 may be used as another method for releasing exhaust gas from cascade stage 76. Accordingly, the subsystem may be connected to the exhaust gas outlet 34 of the hydrogen pump 30 instead of the flow control valve 40 (see FIG. 1). Subsystem 80 includes a water trap 82 connected to exhaust gas outlet 34 to remove water from the exhaust gas. The drain port 84 of the water trap 82 is connected to the flow restriction port 86, and the discharge port 88 of the flow restriction port 86 is connected to the purification electromagnetic valve 90. The purification solenoid valve 90 may be controlled by the control device 44 (see FIG. 1). In some forms of the invention, the drain 94 of the solenoid valve 90 is in communication with the surrounding environment.

操作において、電磁弁９０は、カスケードステージ７６の燃料電池の電圧に対応して開放され、該電圧が所定の限界電圧以下に下落する。そうでなければ、電磁弁９０は、閉じたままである。本発明の他の形態において、電磁弁９０は、ある負荷サイクルで、開放状態と閉鎖状態との間を移動してもよく、本発明のいくつかの実施形態において、前記負荷サイクルは、セルの電圧を調整するよう制御されてもよい。従って、多くの実施形態が可能であり、記載された特許請求の範囲内にある。   In operation, the solenoid valve 90 is opened corresponding to the voltage of the fuel cell of the cascade stage 76, and the voltage drops below a predetermined limit voltage. Otherwise, the solenoid valve 90 remains closed. In other forms of the invention, the solenoid valve 90 may move between an open state and a closed state in a duty cycle, and in some embodiments of the invention, the duty cycle is a cell cycle. It may be controlled to adjust the voltage. Accordingly, many embodiments are possible and are within the scope of the appended claims.

図４を参照して、本発明のいくつかの形態に従って、カスケードステージ６０、６８、７６は、同一の燃料電池スタック３１で形成されてもよい。図４は、スタック３１内部の前記内部アノード流路を表す。カスケードステージ６０のために、前記流路板は、プレナム１０２を集合的に形成するために一列に並ぶ開口部を有し、入来燃料流１５０（例えば、パワースタック２０からのアノード排ガス流）をカスケードステージ６０に送る。カスケードステージ６０の前記流路板もまた、プレナム１０８を形成するために一列に並ぶ開口部を有し、カスケードステージ６０からのアノード排ガス流１５８を送る。   Referring to FIG. 4, cascade stages 60, 68, 76 may be formed of the same fuel cell stack 31 according to some aspects of the present invention. FIG. 4 represents the internal anode flow path inside the stack 31. For cascade stage 60, the flow path plate has openings aligned to form a collective plenum 102 to allow incoming fuel stream 150 (eg, anode exhaust stream from power stack 20). Send to cascade stage 60. The flow path plate of the cascade stage 60 also has a line of openings to form the plenum 108 and feeds the anode exhaust stream 158 from the cascade stage 60.

アノード排ガスプレナム１０８は、カスケードステージ６８のアノード取入プレナム１０９と共に一列に並べられる。従って、カスケードステージ６０からのアノード排ガス流１５８は、カスケードステージ６８のための入来アノード流として作用する。アノード排ガス流１５８は、カスケードステージ６８のアノード流路を通して送られ、カスケードステージ６８は、結果として生じるアノード排ガス流１５４を、カスケードステージ６８から送るアノード排ガスプレナム１２２を含む。   The anode exhaust plenum 108 is aligned with the anode intake plenum 109 of the cascade stage 68. Thus, the anode exhaust stream 158 from the cascade stage 60 acts as an incoming anode stream for the cascade stage 68. Anode exhaust stream 158 is routed through the anode flow path of cascade stage 68, which includes an anode exhaust plenum 122 that routes the resulting anode exhaust stream 154 from cascade stage 68.

アノード排ガスプレナム１５４は、カスケードステージ７６のアノード取入プレナム１２３と共に一列に並べられる。従って、カスケード６８からのアノード排ガス流１５４は、カスケードステージ７６のための入来アノード流としての作用する。アノード排ガス流１５４は、カスケードステージ７６のアノード流路を通して送られ、カスケードステージ７６は、結果として生じるアノード排ガス流１６０をカスケードステージ７６から、且つ水素ポンプ３０のアノード排ガス排出口３４（図１参照）に送るアノード排ガスプレナム１３４を含む。   The anode exhaust plenum 154 is aligned with the anode intake plenum 123 of the cascade stage 76. Thus, the anode exhaust stream 154 from the cascade 68 acts as an incoming anode stream for the cascade stage 76. The anode exhaust gas stream 154 is routed through the anode flow path of the cascade stage 76, which cascades the resulting anode exhaust gas stream 160 from the cascade stage 76 and the anode exhaust gas outlet 34 of the hydrogen pump 30 (see FIG. 1). An anode exhaust plenum 134 that is fed to

前記カスケード配列の使用は、カスケードステージ６８のような中間カスケードステージにおいてアノード排ガスプレナムに、水を集積する原因となるかもしれない。従って、水は、前記プレナム１２２に集まるかもしれず、カスケードステージのセルで、不安定性を生じるかもしれず、同様に、カスケードステージ６８の操作を中断させるかもしれない。水の集積を管理する一つの方法は、水素ポンプ３０の他の流路板と比較して、カスケードステージの流路板を比較的厚くすることである。比較的大きな板厚は、カスケードステージ６８のアノード流路のためにより大きな断面積を可能にし、それにより水に対応する能力が増加する。   Use of the cascade arrangement may cause water to accumulate in the anode exhaust plenum in an intermediate cascade stage, such as cascade stage 68. Thus, water may collect in the plenum 122, may cause instability in the cascade stage cells, and may interrupt the operation of the cascade stage 68 as well. One way to manage water accumulation is to make the channel plates of the cascade stage relatively thick compared to the other channel plates of the hydrogen pump 30. The relatively large plate thickness allows a larger cross-sectional area for the anode flow path of the cascade stage 68, thereby increasing its ability to accommodate water.

図５を参照して、一般に水素ポンプ３０で水を管理する方法１８０は、第１の厚さでカスケードステージ６０、７６の流路板を形成し（ステップ１８２）、第２の増大した厚さで中間のカスケードステージ６８の流路板を形成すること（ステップ１８４）を含む。   Referring to FIG. 5, a method 180 for managing water generally with the hydrogen pump 30 forms the flow path plates of the cascade stages 60, 76 at a first thickness (step 182) and a second increased thickness. Forming the flow path plate of the intermediate cascade stage 68 (step 184).

もう一つの方法として、又は前記厚い流路板と組み合わせて、液体の水を吐かせるが、ガスの流れから分離されている膜は、上位のカスケードに集積された液体の水を、除去のために下位のカスケードまで下げて輸送するために使われてもよい。例えば、スポール（Ｓｕｐｏｒ、商標）の膜は、この用途に用いられてもよい。しかしながら、本発明の他の形態において、他の膜が用いられてもよい。   Alternatively, or in combination with the thick channel plate, the liquid water is expelled, but the membrane separated from the gas flow is for removing the liquid water accumulated in the upper cascade. It may be used to transport to lower cascades. For example, a Super ™ membrane may be used for this application. However, other membranes may be used in other forms of the invention.

図６を参照して、本発明のいくつかの形態に従って、カスケード分離板２００は、カスケードステージ６０、６８の間で、水管理の目的のために用いられてもよい。カスケード分離板２００は、カスケード６８のアノード排ガスプレナム１２２（図４参照）及びカスケード６０のアノード取入プレナム１０２と、一列に並べられた開口部２０１を含む。アノードプレナム１０２、１２２を分離する膜２０２は、開口部２０１に備えられているが、プレナム１０２、１２２で前記ガス流と分離されている。前記膜２０２は、アノード排ガスプレナム１２２から水を集める芯としての役割を果たし、水をアノード取入プレナム１０２に流す。図６に示すように、凹部２０４は、水滴のノックアウトを促進する低流速の局所領域を創成することを目的として膜２０２の上部に存在してもよい。   Referring to FIG. 6, in accordance with some aspects of the present invention, the cascade separator plate 200 may be used between the cascade stages 60, 68 for water management purposes. Cascade separator plate 200 includes an anode exhaust plenum 122 (see FIG. 4) of cascade 68 and an anode intake plenum 102 of cascade 60, and a row of openings 201. A membrane 202 that separates the anode plenums 102, 122 is provided in the opening 201, but is separated from the gas stream by the plenums 102, 122. The membrane 202 serves as a wick for collecting water from the anode exhaust plenum 122 and allows water to flow to the anode intake plenum 102. As shown in FIG. 6, a recess 204 may be present on top of the membrane 202 for the purpose of creating a low flow local region that promotes water droplet knockout.

他の変形例は、本発明の他の形態で、カスケードステージ６８から水を集めるために用いられてもよい。例えば、本発明の他の形態において、フロート弁又はＵ字トラップは、アノード排ガスプレナム１２０から水を集めるために用いられてもよい。他の実施例として、水位検出電磁弁は、カスケードステージ６８から水を除去するために用いられてもよい。   Other variations may be used to collect water from the cascade stage 68 in other forms of the invention. For example, in other forms of the invention, a float valve or U-trap may be used to collect water from the anode exhaust plenum 120. As another example, a water level detection solenoid valve may be used to remove water from the cascade stage 68.

測定器具もまた、カスケードステージ６８で水の生成を防ぐために用いられてもよい。更に詳細には、本発明のいくつかの形態に従って、精密な熱調整が、水素ポンプ３０での水の蓄積を防止するために用いられてもよい。電気的負荷であるので、水素ポンプ３０は、技術的に熱を生成するが、ポンプ３０を形成するスタックは、周囲の環境に充分以上の熱を放出し、それ自体を冷却状態に保持する。従って、水素ポンプ３０への「冷却剤」の流れは、実際に、スタックが周囲の環境に充分以上の熱を放出し、それ自体を冷却状態に保持するように、前記スタックに熱を供給する。そこで、本発明のいくつかの形態に従って、熱エネルギーが水素ポンプ３０に供給され、ポンプの作動温度を水素の露点に上昇させ、水の凝結が妨げられないことを最小限に抑える。   A measuring instrument may also be used to prevent water production in the cascade stage 68. More specifically, in accordance with some aspects of the present invention, precise thermal regulation may be used to prevent water accumulation in the hydrogen pump 30. Since it is an electrical load, the hydrogen pump 30 technically generates heat, but the stack forming the pump 30 releases more than enough heat to the surrounding environment and keeps itself cool. Thus, the flow of “coolant” to the hydrogen pump 30 actually provides heat to the stack so that the stack releases more than enough heat to the surrounding environment and keeps itself cool. . Thus, according to some aspects of the present invention, thermal energy is supplied to the hydrogen pump 30 to raise the operating temperature of the pump to the dew point of hydrogen, minimizing the prevention of water condensation.

図７を参照して、これを達成するため、ヒーターパッド２６２は、水素ポンプ３０が形成されるスタック２５０に分配されてもよい。図７に示すように、本発明のいくつかの形態で、ヒーターパッド２６２は、カスケードステージの境界に位置している。しかしながら、本発明の他の形態で、ヒーターパッド２６２は、前記スタックを通して一組のセルの間隔で（例えば、４セル毎に）、スタックの全セルの間に位置してもよい。従って、多くの変形例が可能であり、記載された特許請求の範囲内にある。   With reference to FIG. 7, to accomplish this, the heater pad 262 may be distributed to the stack 250 in which the hydrogen pump 30 is formed. As shown in FIG. 7, in some forms of the invention, the heater pad 262 is located at the boundary of the cascade stage. However, in other forms of the invention, the heater pads 262 may be located between all cells in the stack, with a set of cell spacing (eg, every 4 cells) through the stack. Accordingly, many variations are possible and are within the scope of the appended claims.

水素ポンプ３０は、多くの方法で加熱されてよいが、ヒーターパッド２６２、スタック２５０を取り囲むパッドヒーター、完全な包囲状態を加熱するパッドヒーターなどのような、間に配置されるパッドヒーターに限定されない。パッドヒーターはまた、非絶縁抵抗ヒーターとしてセル間に配置されてもよく、前記スタックは、前記抵抗ヒーターを通過する電流を用いて加熱されてもよい。受動的ヒーターもまた、例えば、パワースタック２０の余熱を用いることにより実現されてもよい。さらに、注入口より約５℃以上高い、パワースタック２０から排出された冷却剤の全ては、水素ポンプ３０のスタックに供給されてもよく、それによってポンプスタックの作動温度を、その注入口の水素流の露点近くまで上昇させる。   The hydrogen pump 30 may be heated in a number of ways, but is not limited to a pad heater disposed between, such as a heater pad 262, a pad heater that surrounds the stack 250, a pad heater that heats the full enclosure, and the like. . The pad heater may also be placed between cells as a non-insulating resistance heater, and the stack may be heated using a current passing through the resistance heater. A passive heater may also be realized, for example, by using the residual heat of the power stack 20. In addition, all of the coolant discharged from the power stack 20 that is about 5 ° C. or more above the inlet may be supplied to the stack of the hydrogen pump 30, thereby increasing the operating temperature of the pump stack to the hydrogen at the inlet. Raise to near the dew point of the stream.

本発明のいくつかの形態に従って、水素ポンプ３０及びパワースタック２０は、同一のスタックに統合されてもよい。従って、図１では、パワースタック２０と水素ポンプ３０との間で、排ガス流及び燃料入力流を送る明確な導管２９、３７を表わしているが、これらの「導管」は、本発明のいくつかの形態に従って、同一のスタック内部のプレナムであってもよい。   In accordance with some aspects of the present invention, the hydrogen pump 30 and the power stack 20 may be integrated into the same stack. Thus, although FIG. 1 represents distinct conduits 29, 37 that carry the exhaust gas flow and the fuel input stream between the power stack 20 and the hydrogen pump 30, these “conduits” are some of the features of the present invention. The plenums within the same stack may be in accordance with the configuration.

より詳細な実施例として、図８は、本発明のいくつかの形態に従って、パワースタック２０及び水素ポンプ３０を形成するスタック３００の内部アノード流路を示す。図４との結合における図８を参照して、カスケードステージ６０のアノード取入プレナム１０２は、パワースタック２０のアノード排ガスプレナム３１０と一列に並べられ、パワースタック２０のアノード排ガスプレナム３１０と流動的に連絡した状態にある。入来アノード流３０４は、パワースタック２０のアノード取入プレナム３０８に入り、電気化学的反応により消費されなかった入来アノード流３０４の一部は、水素ポンプ３０により処理されるアノード排ガス流１５０を形成する。   As a more detailed example, FIG. 8 illustrates the internal anode flow path of the stack 300 that forms the power stack 20 and the hydrogen pump 30 in accordance with some aspects of the present invention. Referring to FIG. 8 in combination with FIG. 4, the anode intake plenum 102 of the cascade stage 60 is aligned with the anode exhaust plenum 310 of the power stack 20 and is fluidly connected to the anode exhaust plenum 310 of the power stack 20. You are in contact. The incoming anode stream 304 enters the anode intake plenum 308 of the power stack 20, and a portion of the incoming anode stream 304 that has not been consumed by the electrochemical reaction results in the anode exhaust gas stream 150 being processed by the hydrogen pump 30. Form.

図９は、本発明の一形態に従って、スタック３００の内部カソード流路を示す。図示のように、パワースタック２０は、酸化剤取入流３７２を受け入れるカソード取入プレナム３７４を含んでいる。酸化剤取入流３７２は、パワースタック２０の酸化剤流路を通って流され、カソード排ガスプレナム３７９で酸化剤排出流３７８を生成する。水素ポンプ３０のアノード排ガスからの流出流は、カソード取入プレナム３７４内の口部３８０を経由して流される。もう一つの方法として、流出流は、水素ポンプ３０のアノード排ガスからカソード排ガスプレナム３７９に流される。   FIG. 9 illustrates the internal cathode flow path of the stack 300 in accordance with an aspect of the present invention. As shown, the power stack 20 includes a cathode intake plenum 374 that receives an oxidant intake stream 372. The oxidant intake stream 372 is flowed through the oxidant flow path of the power stack 20 to produce an oxidant discharge stream 378 at the cathode exhaust plenum 379. The outflow from the anode exhaust gas of the hydrogen pump 30 flows through the mouth 380 in the cathode intake plenum 374. Alternatively, the effluent stream is passed from the anode exhaust of the hydrogen pump 30 to the cathode exhaust plenum 379.

図１０及び１１は、それぞれ本発明のいくつかの形態に従って、パワースタック２０及び水素ポンプ３０の典型的な流路板４００、４２０の平面図を示す。図１０を参照して、流路板４００に開口するアノード入口部４０２及びアノード排出口部４１２は、互いに対角線上で対向している。さらに、流路板４００に開口するカソード入口部４０６およびカソード出口部４０８もまた、互いに対角線上で対向している。流路板４００は、冷却剤入口孔４０４及び冷却剤出口孔４１０を含む。   FIGS. 10 and 11 show plan views of exemplary flow path plates 400, 420 of the power stack 20 and hydrogen pump 30, respectively, according to some aspects of the present invention. Referring to FIG. 10, the anode inlet portion 402 and the anode outlet portion 412 that open to the flow path plate 400 face each other diagonally. Further, the cathode inlet portion 406 and the cathode outlet portion 408 that open to the flow channel plate 400 are also opposed to each other diagonally. The flow path plate 400 includes a coolant inlet hole 404 and a coolant outlet hole 410.

図１０、１１の両方を参照して、流路板４００のアノード入口部４０２は、流路板４２０のカソード出口部４２４と一列に並んでいる。流路板４００のカソード入口部４０６は、流路板４２０のアノード出口部４２８と一列に並んでいる。流路板４００のアノード出口部４１２は、流路板４２０のアノード入口部４３６と一列に並んでいる。本発明のこれらの形態で、水素ポンプ３０は、パワースタック２０のカソード出口部４０８の上部に直接配管を用いず接続されており、それでこのプレナムは、カスケード間を移動するための中間交換ポートとしての役割を果たしている。   Referring to both FIGS. 10 and 11, the anode inlet portion 402 of the flow channel plate 400 is aligned with the cathode outlet portion 424 of the flow channel plate 420. The cathode inlet portion 406 of the flow channel plate 400 is aligned with the anode outlet portion 428 of the flow channel plate 420. The anode outlet portion 412 of the flow channel plate 400 is aligned with the anode inlet portion 436 of the flow channel plate 420. In these forms of the invention, the hydrogen pump 30 is connected directly to the top of the cathode outlet 408 of the power stack 20 without using piping, so that this plenum serves as an intermediate exchange port for moving between cascades. Plays the role of

図１２を参照して、本発明のいくつかの形態に従って、燃料電池システム５００は、図１の燃料電池システム１０の代わりに用いられてもよい。燃料電池システム５００は、燃料電池システム１０と共通の構成要素を有し、同様の参照符号と、以下に指摘する相違点とにより記載されている。   Referring to FIG. 12, in accordance with some aspects of the present invention, a fuel cell system 500 may be used in place of the fuel cell system 10 of FIG. The fuel cell system 500 has the same components as the fuel cell system 10 and is described with the same reference numerals and the differences noted below.

相違点について、燃料電池システム５００は、付加的なアノード排ガス再循環流を含む。より詳細には、燃料電池システム５００は、パワースタック２０のアノード排ガス排出口２８と、スタック２０のアノード取入口２２との間に、他の再循環流路を構築するために、ベンチュリ管５２０を用いる。この点で、ベンチュリ管５２０の入口部５０８は、水素供給源１１によって供給される燃料流のような、入来燃料流を受け入れるために接続される。ベンチュリ管５２０の出口部５１０は、アノード取入口２２と接続され、流路又は導管５０４は、アノード排ガス排出口２８をベンチュリ管５２０のフィード入口部５０９に接続する。アノード取入口２２で圧力を遠隔検知する圧力調整器５２２は、入口部５０８への入来燃料流を調整する。   Regarding the differences, the fuel cell system 500 includes an additional anode exhaust gas recirculation flow. More specifically, the fuel cell system 500 includes a venturi 520 to establish another recirculation flow path between the anode exhaust outlet 28 of the power stack 20 and the anode intake 22 of the stack 20. Use. In this regard, the inlet 508 of the venturi 520 is connected to receive an incoming fuel stream, such as the fuel stream supplied by the hydrogen source 11. The outlet 510 of the venturi 520 is connected to the anode intake 22 and the flow path or conduit 504 connects the anode exhaust outlet 28 to the feed inlet 509 of the venturi 520. A pressure regulator 522 that remotely senses the pressure at the anode inlet 22 regulates the incoming fuel flow to the inlet 508.

この配列によって、比較的一定のフィードバック流が、水素ポンプ３０のカソード排ガス排出口３６から流路又は導管３７を通じて形成される。この流れは、一般に、図１３で破線６０２によって表されてよく、破線は、システム出力又はパワースタック２０に対する新たな水素燃料の流れを意味する「原動力となる（motive）」流れに対して、水素ポンプ流を示す。図１３との結合における図１２を参照して、前記システム出力が低い時、燃料電池システム５００の最初の起動の間、ベンチュリ管５２０を通る前記フィードバック流は、一般に、曲線６００により示されるように、パワースタック２０のアノード取入口２２に戻るアノード排ガスの再循環全体を構築し、アノード取入口２２にフィードバックされるアノード排ガスを再循環する全てである。   With this arrangement, a relatively constant feedback flow is formed from the cathode exhaust outlet 36 of the hydrogen pump 30 through the flow path or conduit 37. This flow may generally be represented by the dashed line 602 in FIG. 13, where the dashed line represents hydrogen flow relative to the “motive” flow, which means new hydrogen fuel flow to the system output or power stack 20. Indicates pump flow. Referring to FIG. 12 in conjunction with FIG. 13, when the system output is low, during the initial startup of the fuel cell system 500, the feedback flow through the venturi 520 is generally as indicated by the curve 600. The entire anode exhaust gas recirculation returning to the anode intake port 22 of the power stack 20 is constructed, and the anode exhaust gas fed back to the anode intake port 22 is all recirculated.

図１３から明らかなように、燃料電池システム５００の最初の起動の間、水素ポンプ３０からの流れは、比較的少ない（ベンチュリ管５２０を通るフィードバックに比較して）比較的低い。しかしながら、燃料電池システム５００の最初の起動段階の後、水素ポンプ３０からのフィードバック流は、燃料電池システム５００の全体の効率を著しく増加するよう支配する。   As is apparent from FIG. 13, during the initial start-up of the fuel cell system 500, the flow from the hydrogen pump 30 is relatively low (compared to feedback through the Venturi tube 520). However, after the initial startup phase of the fuel cell system 500, the feedback flow from the hydrogen pump 30 dominates to significantly increase the overall efficiency of the fuel cell system 500.

本発明は、限られた数の形態に関してだけ開示されているが、この開示の恩恵を受ける当業者は、そこからの多くの修正や変形例を理解するだろう。添付した請求項は、本発明の真実の思想と範囲に収まるような、修正や変形例を全て保護することを意図している。   Although the present invention has been disclosed with respect to only a limited number of forms, those skilled in the art having the benefit of this disclosure will appreciate many modifications and variations therefrom. The appended claims are intended to cover all modifications and variations that fall within the true spirit and scope of the invention.

本発明の一形態に従う燃料電池システムの概略図。1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一形態に従う図１における水素ポンプの概略図。FIG. 2 is a schematic diagram of the hydrogen pump in FIG. 1 according to one embodiment of the present invention. 本発明の一形態に従う水素ポンプのアノード排ガスサブシステムの概略図。1 is a schematic diagram of an anode exhaust gas subsystem of a hydrogen pump according to one embodiment of the present invention. 本発明の一形態に従うスタックを通るアノード流を示す水素ポンプの燃料電池スタックの概略図。1 is a schematic diagram of a fuel cell stack of a hydrogen pump showing anode flow through the stack according to one embodiment of the invention. 本発明の一形態に従う水素ポンプのカスケード内部の水を管理する技術を示すフローチャート。The flowchart which shows the technique which manages the water inside the cascade of the hydrogen pump according to one form of this invention. 本発明の一形態に従う水素ポンプの流路板の説明図。Explanatory drawing of the flow-path board of the hydrogen pump according to one form of this invention. 本発明の一形態に従う水素ポンプの燃料電池スタック及びスタックの加熱機構の概略図。1 is a schematic view of a fuel cell stack of a hydrogen pump and a stack heating mechanism according to an embodiment of the present invention. 本発明の一形態に従う出力と、スタックのアノード流を示す水素ポンプの燃料電池スタックとの結合の概略図。1 is a schematic diagram of the coupling of an output according to one aspect of the invention with a fuel cell stack of a hydrogen pump showing the anode flow of the stack. 本発明の一形態に従う出力と、スタックのカソード流を示す水素ポンプの燃料電池スタックとの結合の概略図。1 is a schematic diagram of the coupling of an output according to one aspect of the invention with a fuel cell stack of a hydrogen pump showing the cathode flow of the stack. FIG. 本発明の一形態に従う出力と水素ポンプの燃料電池スタックとの結合であるパワースタックの一部の典型的流路板の平面図。1 is a plan view of an exemplary flow path plate of a portion of a power stack that is a combination of an output and a fuel cell stack of a hydrogen pump in accordance with an aspect of the present invention. 本発明の一形態に従う出力と水素ポンプの燃料電池スタックとの結合である水素ポンプの一部の典型的流路板の平面図。1 is a plan view of an exemplary flow path plate of a portion of a hydrogen pump that is a combination of an output and a fuel cell stack of a hydrogen pump in accordance with an aspect of the present invention. 本発明の他の形態に従う燃料電池システムの概略図。Schematic of the fuel cell system according to another embodiment of the present invention. 本発明の一形態に従う図１２の燃料電池システムのアノードフィードバック流の曲線を表す図。FIG. 13 is a diagram representing an anode feedback flow curve of the fuel cell system of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０，５００…燃料電池システム、 ２０…パワースタック、 ３０…電気化学的ポンプ、 ５２０…ベンチュリ管。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,500 ... Fuel cell system, 20 ... Power stack, 30 ... Electrochemical pump, 520 ... Venturi tube.

Claims (31)

排出流を作り出すように、燃料電池を操作し、
前記排出流から燃料を抽出するために、前記排出流を電気化学的ポンプに流して、第１のフィードバック流を生成し、
前記第１のフィードバック流を前記燃料電池に供給し、
前記排出流から前記第１のフィードバック流以外の第２のフィードバック流を生成し、
前記第２のフィードバック流をベンチュリ管に通して前記燃料電池に流すことからなることを特徴とする燃料電池の操作方法。 Operate the fuel cell to create an exhaust flow,
In order to extract fuel from the exhaust stream, the exhaust stream is passed through an electrochemical pump to produce a first feedback stream;
Supplying the first feedback stream to the fuel cell;
Generating a second feedback stream other than the first feedback stream from the exhaust stream;
A method of operating a fuel cell comprising flowing the second feedback flow through a venturi to the fuel cell. 前記第２のフィードバック流を前記ベンチュリ管に流す動作は、
前記第２のフィードバック流を前記ベンチュリ管の第１の入口に流すことと、燃料を水素源から前記ベンチュリ管の第２の入口に流すこととからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の操作方法。 The operation of flowing the second feedback flow through the venturi tube is as follows:
2. The fuel of claim 1, wherein said second feedback flow is caused to flow to a first inlet of said venturi tube and fuel is caused to flow from a hydrogen source to said second inlet of said venturi tube. How to operate the battery. 前記流す動作は、前記排出流を電気化学的水素ポンプに流すことからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の操作方法。   2. The method of operating a fuel cell according to claim 1, wherein the flow operation comprises flowing the exhaust flow to an electrochemical hydrogen pump. 前記排出流を前記電気化学的水素ポンプに流す前記動作は、
前記排出流を他の燃料電池のアノード室に供給することと、
前記他の燃料電池に出力を供給して、前記排出流に応じて、前記他の燃料電池のカソード室で該燃料電池に水素を生成させることとからなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池の操作方法。 The operation of flowing the exhaust stream through the electrochemical hydrogen pump comprises:
Supplying the exhaust stream to the anode chamber of another fuel cell;
4. The method according to claim 3, further comprising: supplying an output to the other fuel cell and causing the fuel cell to generate hydrogen in a cathode chamber of the other fuel cell in accordance with the discharge flow. How to operate the fuel cell. 前記排出流を前記電気化学的水素ポンプに流す前記動作は、
前記排出流をカスケードステージに配列された付加的燃料電池に供給することからなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池の操作方法。 The operation of flowing the exhaust stream through the electrochemical hydrogen pump comprises:
4. The method of operating a fuel cell according to claim 3, wherein the exhaust stream is supplied to an additional fuel cell arranged in a cascade stage. 前記カスケードステージの配列に従って、前記付加的燃料電池の一つのカソード室は、前記付加的燃料電池の他の一つのアノード室に直接連結されていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池の操作方法。   6. The fuel cell according to claim 5, wherein one cathode chamber of the additional fuel cell is directly connected to another anode chamber of the additional fuel cell according to the arrangement of the cascade stages. Method of operation. さらに、前記カスケードステージの一つから水を集める芯として作用し、水を他の一つの前記カスケードステージに流す部材を提供することからなることを特徴とする請求項５記載の燃料電池の操作方法。   6. The method of operating a fuel cell according to claim 5, further comprising a member that acts as a core for collecting water from one of the cascade stages and allows water to flow to the other cascade stage. . さらに、前記カスケードステージの一つの内部に形成された凹部に前記部材を配設することからなることを特徴とする請求項７記載の燃料電池の操作方法。   8. The method of operating a fuel cell according to claim 7, further comprising disposing the member in a recess formed in one of the cascade stages. さらに、前記カスケードステージの一つの内部に、前記カスケードステージの一つから水を除去する機構を提供することからなることを特徴とする請求項５記載の燃料電池の操作方法。   6. The method of operating a fuel cell according to claim 5, further comprising providing a mechanism for removing water from one of the cascade stages inside one of the cascade stages. 前記機構は、Ｕ字トラップ、フロート弁及び電磁弁の一つからなることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の操作方法。   10. The method of operating a fuel cell according to claim 9, wherein the mechanism comprises one of a U-shaped trap, a float valve, and a solenoid valve. さらに、前記カスケードステージの一つのアノード室からの排ガスの伝達(communication)を規制することからなることを特徴とする請求項５記載の燃料電池の操作方法。   6. The method for operating a fuel cell according to claim 5, further comprising restricting communication of exhaust gas from one anode chamber of the cascade stage. 前記規制の動作は、燃料電池の電圧に基づいて、前記アノード室との伝達を選択的に開閉することからなることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池の操作方法。   12. The method of operating a fuel cell according to claim 11, wherein the regulating operation includes selectively opening and closing transmission with the anode chamber based on a voltage of the fuel cell. さらに、熱を前記電気化学的水素ポンプに供給し、前記電気化学的水素ポンプ内で水の生成を低減することからなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池の操作方法。   4. The method of operating a fuel cell according to claim 3, further comprising supplying heat to the electrochemical hydrogen pump to reduce water production in the electrochemical hydrogen pump. 燃料流の源と、第３の燃料流と、第４の燃料流とによって供給される第２の燃料流から形成される第１の燃料流を受け入れるためのアノード取入プレナムと、
前記第１の燃料流に応じてアノード排出プレナムで排出流を生成するために適した燃料電池スタックと、
前記排出流を精製して、前記第３の燃料流を生成するのに適した電気化学的ポンプと、
前記第１の燃料流と前記排出流の一部とを結合して、前記第４の燃料流を生成するベンチュリ管とからなることを特徴とする燃料電池システム。 An anode intake plenum for receiving a first fuel stream formed from a second fuel stream provided by a source of fuel streams, a third fuel stream, and a fourth fuel stream;
A fuel cell stack suitable for generating an exhaust stream in an anode exhaust plenum in response to the first fuel stream;
An electrochemical pump suitable for purifying the exhaust stream to produce the third fuel stream;
A fuel cell system comprising: a venturi pipe that combines the first fuel stream and a part of the exhaust stream to generate the fourth fuel stream. 前記電気化学的ポンプは、電気化学的水素ポンプからなることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 14, wherein the electrochemical pump comprises an electrochemical hydrogen pump. 前記燃料流の源は、水素源からなることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。   15. The fuel cell system according to claim 14, wherein the fuel flow source comprises a hydrogen source. 前記電気化学的ポンプは、前記燃料電池スタックと別体であることからなる請求項１４記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 14, wherein the electrochemical pump is separate from the fuel cell stack. 前記電気化学的ポンプ及び前記燃料電池スタックは、単一スタックで一緒に統合されていることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。   The fuel cell system of claim 14, wherein the electrochemical pump and the fuel cell stack are integrated together in a single stack. 前記スタックは、前記排出流を生成する第１の燃料電池集合体と、前記ポンプを形成する第１の燃料電池集合体以外の第２の燃料電池集合体とからなることを特徴とする請求項１８記載の燃料電池システム。   The stack includes a first fuel cell assembly that generates the exhaust flow and a second fuel cell assembly other than the first fuel cell assembly that forms the pump. 18. The fuel cell system according to 18. 前記第１の燃料電池集合体は電気的出力を生成し、前記第２の燃料電池集合体は電気的出力を受け取ることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。   20. The fuel cell system according to claim 19, wherein the first fuel cell assembly generates an electrical output and the second fuel cell assembly receives an electrical output. 前記第２の燃料電池集合体は、カスケードステージに配列されていることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 19, wherein the second fuel cell assemblies are arranged in a cascade stage. 少なくとも二つの前記カスケードステージは、異なる数の燃料電池を有していることを特徴とする請求項２１記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 21, wherein at least two of the cascade stages have different numbers of fuel cells. 前記カスケードステージは、
前記排出流に応じて、前記第３の燃料流の一部と、第１の排ガス流とを生成することに適した第１のカスケードステージと、
前記第１の排ガス流に応じて、前記第３の燃料流の一部と、第２の排ガス流とを生成することに適した第２のカスケードステージと、
前記第２の排ガス流に応じて、前記第３の燃料流の一部を生成することに適した第２のカスケードステージとからなることを特徴とする請求項２１記載の燃料電池システム。 The cascade stage is
A first cascade stage suitable for generating a portion of the third fuel stream and a first exhaust gas stream in response to the exhaust stream;
A second cascade stage suitable for generating a portion of the third fuel stream and a second exhaust gas stream in response to the first exhaust gas stream;
The fuel cell system according to claim 21, comprising a second cascade stage suitable for generating a part of the third fuel flow in accordance with the second exhaust gas flow. 前記第１のカスケードステージは、前記第２カスケードステージより多数の燃料電池を有し、前記第２のカスケードステージは、前記第３のカスケードステージより多数の燃料電池を有することを特徴とする請求項２３記載の燃料電池システム。   The first cascade stage has more fuel cells than the second cascade stage, and the second cascade stage has more fuel cells than the third cascade stage. 24. The fuel cell system according to 23. さらに、流れ制御装置は、前記第３のカスケードステージの燃料電池の電圧に応じて前記第３のカスケードステージからの第３の排ガス流の伝達を規制するために、前記第３のカスケードステージに接続することからんることを特徴とする請求項２３記載の燃料電池システム。   Further, the flow control device is connected to the third cascade stage to regulate transmission of the third exhaust gas flow from the third cascade stage in accordance with the voltage of the fuel cell of the third cascade stage. 24. The fuel cell system according to claim 23, wherein: 前記第３のカスケードステージは、単一の燃料電池からなることを特徴とする請求項２３記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 23, wherein the third cascade stage includes a single fuel cell. さらに、前記カスケードステージの一つから水を集める芯として作用し、水を他の一つの前記カスケードステージに流す部材を提供することからなることを特徴とする請求項２１記載の燃料電池システム。   22. The fuel cell system according to claim 21, further comprising a member that acts as a core for collecting water from one of the cascade stages and allows water to flow to the other cascade stage. さらに、前記部材は、前記カスケードステージの一つの内部に形成された凹部に受け入れられることを特徴とする請求項２７記載の燃料電池システム。   28. The fuel cell system according to claim 27, wherein the member is received in a recess formed in one of the cascade stages. さらに、前記カスケードステージの一つから水を除去するために適した機構からなることを特徴とする請求項２１記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 21, further comprising a mechanism suitable for removing water from one of the cascade stages. 前記機構は、Ｕ字トラップ、フロート弁及び電磁弁の一つからなることを特徴とする請求項２９記載の燃料電池システム。   30. The fuel cell system according to claim 29, wherein the mechanism comprises one of a U-shaped trap, a float valve, and a solenoid valve. さらに、熱を前記電気化学的ポンプに供給する熱素子と、
前記電気化学的ポンプ内部で少なくとも最少の水を生成するように、前記熱素子により供給される熱を規制する回路とからなることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。 And a thermal element for supplying heat to the electrochemical pump;
15. The fuel cell system according to claim 14, further comprising a circuit for regulating heat supplied by the thermal element so as to generate at least a minimum amount of water inside the electrochemical pump.
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